通信受限多自主体网络的协同控制与协同能力研究

This project will study the cooperative control and cooperability of multi-agent networks with communication constraints in depth, which deepens and expands the problems of the project supported by the youth foundation. This project will combine the basic methodology and methods of information theory, control theory and network theory to investigate the impact of all kinds of uncertainties of the network and agent dynamics on the cooperative control design and closed-loop analysis based on digital communication networks and develop systematic theories and methods of cooperative control design and closed-loop analysis based on uncertain digital communication networks. This project will also study the basic relationship between the parameters of communication networks and control performances to give the limits of communication data rate, performances of algorithms and algorithms for optimizing the communication energy cost. This project will provide the necessary theoretic foundation of cooperative control and estimation based on large scale communication networks with environmental uncertainties.

本项目将深入研究带有通信约束的多自主体网络的协同控制与协同能力问题，是青年基金项目所研究课题在广度和深度上的进一步拓展和深化。本项目将融合信息理论、控制理论和网络理论的基本思想和方法，深入研究各种网络或自主体动力学的不确定因素对基于数字通信网络的协同控制设计和闭环系统性能的影响；建立一套基于不确定数字通信网络的协同控制设计和闭环分析的系统化方法和理论；研究不确定数字通信环境下通信网络参数和控制性能指标间的基本制约关系，给出通信数据率极限、算法的性能极限和优化通信能量成本的算法；为不确定环境下基于大规模通信网络的分布式估计和协同控制提供必要的理论基础。

本项目融合信息理论、控制理论和网络理论的基本思想和方法，深入研究带有通信约束的多自主体网络的协同控制与协同能力问题，是青年基金项目所研究课题在广度和深度上的进一步拓展和深化。青年基金项目作为课题的初创研究，侧重于研究基于确定性数字通信网络模型的协同控制，而本项目将深入研究各种不确定因素对协同控制设计和闭环系统性能的影响，建立通信网络参数和控制性能指标间的基本制约关系，所考察的模型更加全面和贴近工程实际，在理论难度上也将显著提高。本项目提出了有限数据率下多自主体系统可协同性地概念，针对状态不完全可量测的一般线性多自主体系统，建立了其协同能力关于自主体动力学和网络拓扑的充分条件和必要条件；针对具有一般线性动力学和乘性量测噪声的随机多自主体系统，建立其协同能力关于网络节点数、网络图的代数连通度、乘性噪声强度系数和自主体动力学的充分条件，揭示了随机协同能力与网络结构、自主体动力学及信道传输特性的定量关系。针对带有加性量测噪声和马氏切换拓扑的分布式趋同算法，发展了针对退化随机矩阵序列的遍历倒向乘积方法；建立了随机逼近型算法渐近收敛速度与网络参数的算法增益的显式定量关系；提出了卡尔曼---布希滤波型分布式协同算法，给出了算法均方收敛和依概率1收敛的速度估计；针对带有相对状态依赖型乘性量测噪声的多自主体分布式平均算法，发现了闭环趋同误差方程噪声强度系数矩阵与网络拓扑结构间的关系，建立了均方和几乎必然平均趋同的“小趋同增益”定理，建立了均方收敛速度、均方稳态误差与网络和控制参数的定量关系，给出了实现最优均方收敛速度的算法增益表达式。本项目回答了不确定多自主体协同控制领域的几个基本理论问题，为设计适用于大规模传感网络的高效实用的分布式估计算法提供了理论工具。